CN102581498A - 一种超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于焊接技术领域，具体地说是一种超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置，包括焊接喷嘴，其特征在于焊接喷嘴内设有超声波换能器，超声波变幅杆一端与超声波换能器相连接，另一端设有超声波发散面，超声波发散面对应的焊接喷嘴内壁上设有与超声波发散面相似的超声波反射面，超声波换能器、超声波变幅杆和超声波发散面的轴线与焊接喷嘴的轴线相重合，超声波换能器、超声波变幅杆、超声波发散面及焊接喷嘴的上、下端设有容纳焊丝的轴线通孔，超声电源通过电缆与超声波换能器之间连接，本发明具有普通超声波与非熔化极焊接复合焊接装置收缩电弧，细化组织和增加熔深的优点，同时提高了超声波能量密度，实现更高质量更高效率的焊接。

Description

一种超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置
技术领域
本发明涉及焊接技术，具体说就是一种超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置。
背景技术
众所周知，焊接技术在航空航天、桥梁造船、压力容器、金属结构等领域应用的极为普遍，并且随着现代化技术的不断进步，对焊接质量和焊接效率的要求越来越高。随着科技的发展和进步，焊接方法也在不断改进，为了提高焊接质量和焊接效率，现已设计出了多种复合焊接方法，超声波复合焊接就是其中的一种。
通过超声装置向焊接空间中辐射超声波，并将超声波产生的声辐射力作用在电弧上，使电弧形态产生了明显的收缩现象，实现了电弧能量的集中，从而使所得到的焊缝熔深增加，实现普通焊接环境下的高质量焊接。但是当超声变幅杆发射端形状为平面时，焊接过程中辐射出的超声强度稍弱，并且随着与超生源距离的增大，声场能量密度迅速减小，在焊接过程中有电弧摆动现象。
近年来开展了多种复合电弧焊接方法的研究，其中包括了超声波与电弧焊接复合的研究和超声波声场聚焦的研究。
200710144659.4和200710144660.7的专利中，分别公开了超声波与非熔化极和熔化极电弧复合的焊接方法。通过超声振动装置是焊接电极上产生超声振动，电弧形态产生了明显的收缩现象，实现了电弧能量的集中，但是平面状的变幅杆下端发射出的超声波垂直入射到工件上，经工件反射后又回到钨极下方的空间中，从而与后续发射出的超声波形成驻波，焊接效果不佳。
201010291292.0的专利中，公开了一种超声波聚焦声场与熔化极电弧焊接复合的焊接装置，将变幅杆下端做成凹面使超声波形成聚焦声场，但是凹面形成的超声波聚焦声场的能量场力的方向在垂直分量上占大部分，水平分量上却很小，从而不能很好地作用于电弧，上述特点限制了超声波与电弧焊接复合方法的进一步发展。
发明内容
 本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种提高超声波能量密度，改善电弧形态和提高电弧能量密度、实现高效率高质量焊接的超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置。
本发明可以通过如下措施达到：
一种超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置，包括焊接喷嘴，其特征在于焊接喷嘴内设有超声波换能器，超声波变幅杆一端与超声波换能器相连接，另一端设有超声波发散面，超声波发散面对应的焊接喷嘴内壁上设有与超声波发散面相似的超声波反射面，超声波换能器、超声波变幅杆和超声波发散面的轴线与焊接喷嘴的轴线相重合，超声波换能器、超声波变幅杆、超声波发散面及焊接喷嘴的上、下端设有容纳焊丝的轴线通孔，超声电源通过电缆与超声波换能器之间连接。
本发明所述的超声波发散面位于变幅杆下端部，超声波发散面与焊接喷嘴出口相对应的面呈弧形，且半径R应用范围为10-50mm，使超声波形成聚焦声场，在变幅杆下方空间沿钨极方向形成多个类球状聚焦声场，而聚焦后的超声波经过工件的反射散向空气中，形成行波，不会对超声波聚焦声场造成影响，有利于稳定焊接。
本发明所述的超声波发生器的功率为1-2000W，产生的超声频电信号频率为15-100KHz。
本发明所述的超声波电信号通过超声波换能器转化为超声频机械振动，其振动频率为15-100KHz，振动幅度为1-200μm。
本发明所述的超声波变幅杆与超声波换能器连接，将超声振动振幅放大到10-1500μm。
本发明所述的超声波变幅杆下端的超声波发散面半径r1应用范围为10-20mm，喷嘴壁半径r2应用范围为20-40mm。
本发明所述的超声波发散面为圆弧面（如图2）其圆心位于通孔中轴线上，且半径R应用范围为10-50mm，以圆心为原点建立直角坐标系，圆弧所在曲线方程为x2+y2=R2。
本发明所述的超声波反射面曲线为椭圆，以超声波发射点和超声波聚焦点为椭圆的两个焦点建立直角坐标系，则超声波反射面曲线所在曲线方程为x2/r2 2+r2 2y2/r1 2R2=1。
  本发明超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置，将超声频率的电信号转化为机械振动，通过超声波换能器和超声波变幅杆产生和放大超声波振动，利用变幅杆下端面加工的凸的发散面，使超声波成为发散束，而后经过超声波反射面的反射，实现超声波辐射汇聚。被汇聚起的超声波的能量密度显著提高，此汇聚的超声波和电弧复合，以达到提高焊接效率和焊接质量的目的。本发明可以有效改善超声波产生的超声辐射力相对电弧的方向，从而增强在电弧上的有效作用力，增强电弧收缩从而提高电弧能量密度，增加焊缝熔深，改善焊缝成形，本发明具有普通超声波与非熔化极焊接复合焊接装置收缩电弧，细化组织和增加熔深的优点，同时提高了超声波能量密度，可实现更高质量更高效率的焊接。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图。
图2是本发明实施例的结构示意图。
图3是本发明实施例的发散面与反射面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1所示：一种超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置，包括焊接喷嘴5，焊接喷嘴5一般呈柱状，其前端呈半球状，本发明的特征在于焊接喷嘴5内设有超声波换能器3，超声波换能器3与现有技术相同，此不赘述，超声波变幅杆4一端与超声波换能器相连接，另一端设有超声波发散面6，超声波变幅杆4与超声波换能器一般采用螺纹连接或螺栓连接，超声波发散面6对应的焊接喷嘴内壁上设有与超声波发散面相似的超声波反射面7，超声波换能器3、超声波变幅杆4和超声波发散面6的轴线与焊接喷嘴5的轴线相重合，超声波换能器3、超声波变幅杆4、超声波发散面6及焊接喷嘴5的上、下端设有容纳焊丝的轴线通孔，超声电源11通过电缆与超声波换能器3之间连接，超声电源11与现有技术相同，此不赘述。
本发明所述的超声波发散面6位于变幅杆4下端部，超声波发散面6与焊接喷嘴5出口相对应的面呈弧形，且半径R应用范围为10-50mm，使超声波形成聚焦声场，在变幅杆下方空间沿钨极方向形成多个类球状聚焦声场，而聚焦后的超声波经过工件的反射散向空气中，形成行波，不会对超声波聚焦声场造成影响，，有利于稳定焊接。
本发明所述的超声波发生器3的功率为1-2000W，产生的超声频电信号频率为15-100KHz。
本发明所述的超声波电信号通过超声波换能器3转化为超声频机械振动，其振动频率为15-100KHz，振动幅度为1-200μm。
本发明所述的超声波变幅杆4与超声波换能器3连接，将超声振动振幅放大到10-1500μm。
本发明所述的超声波发散面6为圆弧面其圆心位于通孔中轴线上，且半径R应用范围为10-50mm，以圆心为原点建立直角坐标系，圆弧所在曲线方程为x2+y2=R2。
本发明所述的超声波反射面7曲线为椭圆，以超声波发射点和超声波聚焦点为椭圆的两个焦点建立直角坐标系，则超声波反射面曲线所在曲线方程为x2/r2 2+r2 2y2/r1 2R2=1。
  本发明超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置，将超声频率的电信号转化为机械振动，通过超声波换能器和超声波变幅杆产生和放大超声波振动，利用变幅杆下端面加工的凸的发散面，使超声波成为发散束，而后经过超声波反射面的反射，实现超声波辐射汇聚。被汇聚起的超声波的能量密度显著提高，此汇聚的超声波和电弧复合，以达到提高焊接效率和焊接质量的目的。本发明可以有效改善超声波产生的超声辐射力相对电弧的方向，从而增强在电弧上的有效作用力，增强电弧收缩从而提高电弧能量密度，增加焊缝熔深，改善焊缝成形，本发明具有普通超声波与非熔化极焊接复合焊接装置收缩电弧，细化组织和增加熔深的优点，同时提高了超声波能量密度，可实现更高质量更高效率的焊接。
实施例。
结合图2所示，本发明是一种超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置，它是由非熔化极焊丝（1）、轴心通孔（2）超声波换能器（3）、超声波变幅杆（4）、焊接喷嘴（5）、超声波发散面（6）、超声波反射面（7）、焊接电弧（8）、被焊工件（9）、焊接电源（10）和超声电源（11）组成的，非熔化极焊丝（1）穿过轴心通孔超声波变幅杆（4），超声波通过变幅杆下端的发散面（6）形成发散的超声波束进入空间，该超声波束入射到超声波反射面（7）上经过反射形成超声波聚焦声场，使非熔化极焊丝（1）的下端处于该超声波聚焦声场内，轴心通孔（2）的直径大于非熔化极焊丝（1）的直径，使非熔化极焊丝（1）与超声波换能器（3）和超声波变幅杆（4）不产生接触，超声电源（11）通过电缆与超声波换能器（3）之间连接，超声波换能器（3）与超声波变幅杆（4）之间通过螺栓连接，使超声波换能器（3）的下端面与超声波变幅杆（4）的上端面之间紧密接触，超声波发散面（6）位于超声波变幅杆（4）的下端部，超声波反射面（7）位于焊接喷嘴（5）的下端部，焊接电源（10）通过电缆连接非熔化极焊丝（1）和被焊工件（9）。
本发明适用的电弧焊方法为非熔化极电弧焊接方法；
本发明所述的发散面位于变幅杆下端部，形状为凸面；
本发明所示的超声波反射面位于焊接喷嘴下端部，功能为反射超声波，使超声波形成聚焦声场；
本发明发射出的超声波经反射后聚集形成聚焦声场，在变幅杆下方空间沿钨极方向形成多个类球状聚焦声场，而聚焦后的超声波经过工件的反射散向空气中，形成行波，不会对超声波聚焦声场造成影响，，有利于稳定焊接。
所述的超声波发生器的功率为1-2000W，产生的超声频电信号频率为15-100KHz；
所述的超声波电信号通过超声波换能器转化为超声频机械振动，其振动频率为15-100KHz，振动幅度为1-200μm；
所述的超声波变幅杆与超声波换能器连接，将超声振动振幅放大到10-1500μm；
所述的超声波换能器和超声波变幅杆具有轴心通孔，通孔直径为6-8mm；
所述的变幅杆下端半径r1应用范围为10-20mm，喷嘴壁半径r2应用范围为20-40mm；
所述的超声波发散面为圆弧面（如图2）其圆心位于通孔中轴线上，且半径R应用范围为10-50mm，以圆心为原点建立直角坐标系，圆弧所在曲线方程为x2+y2=R2；
所述的超声波反射面曲线为椭圆，以超声波发射点和超声波聚焦点为椭圆的两个焦点建立直角坐标系，则超声波反射面曲线所在曲线方程为x2/r2 2+r2 2y2/r1 2R2=1；
本发明超声波发散面可以形成发散束形状的超声波，这些超声波经过超声波反射面的反射后，可以形成超声波聚焦声场，使超声波作用在电弧上的力显著增加，从而加强电弧收缩，提高焊接电弧的能量密度和功率，有利于提高焊接质量和效率。

Claims (7)

1.一种超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置，包括焊接喷嘴（7），其特征在于焊接喷嘴（7）内设有超声波变幅杆（4），超声波变幅杆（4）一端与超声波换能器（3）相连接，另一端设有超声波发散面（6），超声波发散面（6）对应的焊接喷嘴（7）内壁上设有与超声波发散面（6）相似的超声波反射面，超声波换能器（3）、超声波变幅杆（4）和超声波发散面（6）的轴线与焊接喷嘴（7）的轴线相重合，超声波换能器（3）、超声波变幅杆（4）、超声波发散面（6）及焊接喷嘴（7）的上、下端设有容纳焊丝的轴线通孔（2），超声电源（11）通过电缆与超声波换能器（3）之间连接。
2.根据权利要求1所述的一种超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置，其特征在于超声波发散面（6）位于变幅杆下端部，超声波发散面（6）与焊接喷嘴（7）出口相对应的面呈弧形。
3.根据权利要求1所述的一种超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置，其特征在于超声波发生器的功率为1-2000W，产生的超声频电信号频率为15-100KHz。
4.根据权利要求1所述的一种超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置，其特征在于超声波电信号通过超声波换能器（3）转化为超声频机械振动，其振动频率为15-100KHz，振动幅度为1-200μm。
5.根据权利要求1所述的一种超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置，其特征在于超声波变幅杆（4）与超声波换能器（3）连接，将超声振动振幅放大到10-1500μm。
6.根据权利要求2所述的一种超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置，其特征在于超声波发散面（6）为圆弧面，其圆心位于通孔中轴线上，且半径R应用范围为10-50mm，以圆心为原点建立直角坐标系，圆弧所在曲线方程为x2+y2=R2。
7.根据权利要求1所述的一种超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置，其特征在于焊接喷嘴（7）超声波反射面曲线为椭圆，以超声波发射点和超声波聚焦点为椭圆的两个焦点建立直角坐标系，则超声波反射面曲线所在曲线方程为x2/r2 2+r2 2y2/r1 2R2=1。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20120718